CN211423758U - 一种二维运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种二维运动平台，包括水平布置的载物板、用于驱动所述载物板移动的驱动模块、用于支撑所述载物板的支承模块以及用于控制所述驱动模块运动的控制模块，所述载物板水平布置在所述驱动模块和所述支承模块的上方，所述载物板和所述驱动模块刚性连接，且所述载物板和所述支承模块柔性铰接。通过设置驱动模块和支承模块两个导向模块形成差动系统，在保证运动精度的情况下有效提高了运动行程，能够同时实现高精度和大行程。同时将运动平台的各部分按功能模块化，将运动导向元件模块化为驱动模块和支承模块；将运动平台的工作载物平面模块化为载物板部分，各模块均为通用元器件，且可按需增减部分模块，二次开发灵活性较好。

Description

一种二维运动平台

技术领域

本实用新型涉及一种精密平台，尤其是一种二维运动平台。

背景技术

高精度二维运动平台广泛应用于各类高精度测量及加工系统，如三坐标测量机、显微镜、表面轮廓仪、光刻机以及3D打印设备等。

现有的二维运动平台为了满足高精度要求，通常需要牺牲移动行程，其运动精度严重依赖于高精度的基准元件，如导轨和导向平面，且大量导向元件的引入容易形成超约束系统，而在超约束系统中，为避免出现“卡死”现象，必须严格确保同向导向元件的平行度、共面度等几何精度参数，导致整个系统的装调过程非常复杂。

此外，现有的二维运动平台大多采用整装设计，平台交付使用后，使用者难以对其结构进行改动，这一特性大大限制了系统的二次开发灵活性。

有鉴于此，本申请人对高精度的二维运动平台的结构进行了深入的研究，遂有本案产生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够同时实现高精度和大行程的二维运动平台。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种二维运动平台，包括水平布置的载物板、用于驱动所述载物板移动的驱动模块、用于支撑所述载物板的支承模块以及用于控制所述驱动模块运动的控制模块，所述载物板水平布置在所述驱动模块和所述支承模块的上方，所述载物板和所述驱动模块刚性连接，且所述载物板和所述支承模块柔性铰接。

作为本实用新型的一种改进，所述驱动模块包括Y向直线位移台和安装在所述Y向直线位移台的上表面的X向直线位移台，所述Y向直线位移台的运动方向的中性线与所述X向直线位移台的运动方向的中性线相互垂直布置，所述Y向直线位移台和所述X向直线位移台都与所述控制模块通讯连接，所述载物板与所述X向直线位移台的上表面刚性连接。

作为本实用新型的一种改进，所述载物板与所述X向直线位移台的上表面之间通过螺栓连接或相互焊接。

作为本实用新型的一种改进，所述支承模块包括与所述Y向直线位移台的运动方向的中性线平行布置的Y向直线滑轨和与所述X向直线位移台的运动方向的中性线平行布置的X向直线滑轨，所述Y向直线滑轨的数量和所述X向直线滑轨的数量相同且一对一配合，相互配合的所述Y向直线滑轨和所述X向直线滑轨中，所述X向直线滑轨设置在所述Y向直线滑轨的滑轨表面，所述载物板柔性铰接在各所述X向直线滑轨上。

作为本实用新型的一种改进，所述Y向直线滑轨和所述X向直线滑轨的滑动行程相同且都大于所述Y向直线位移台和所述X向直线位移台的移动行程。

作为本实用新型的一种改进，各所述X向直线滑轨的滑轨表面分别设置有球窝连接块，所述载物板上设置有与各所述球窝连接块一对一配合的球头螺纹副。

作为本实用新型的一种改进，所述载物板的上表面放置有光学平晶。

作为本实用新型的一种改进，所述载物板的中部位置开设有穿孔。

采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1、通过设置驱动模块和支承模块两个导向模块形成差动系统，在保证运动精度的情况下有效提高了运动行程，能够同时实现高精度和大行程。

2、将运动平台的各部分按功能模块化，将运动导向元件模块化为驱动模块和支承模块；将运动平台的工作载物平面模块化为载物板部分，各模块均为通用元器件，且可按需增减部分模块，二次开发灵活性较好。

3、仅在运动平台的驱动模块和载物板之间引入一个刚性连接，其余均为柔性铰接，实现零次超约束设计，不易出现卡死现象，且系统的装调过程相对简单。

附图说明

图1为实施例中二维运动平台的结构示意图；

图2为实施例中二维运动平台的支承模块的结构示意图；

图3为实施例中相互配合的球窝连接块和球头螺纹副的连接示意图；

图4为实施例中四构件六导轨力学模型示意图；

图5为实施例中六构件六导轨两铰接力学模型示意图；

图6为图5对基准平面投影后的示意图。

上图省略部分零部件，图中对应标示如下：

10-载物板； 11-穿孔；

12-通孔； 13-球头螺纹副；

14-光学平晶； 20-驱动模块；

21-Y向直线位移台； 22-X向直线位移台；

30-支承模块； 31-Y向直线滑轨；

32-X向直线滑轨； 33-球窝连接块。

40-控制模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对实用新型做进一步的说明：

本实施例提供的二维运动平台是一种高精度高行程且易装配的二维运动平台，且为一种易于搭建的模块化高精度二维运动平台，可应用于各类高精度测量及加工系统，如三坐标测量机、显微镜、表面轮廓仪、光刻机以及3D打印设备等。

如图1-图3所示，本实施例提供的二维运动平台包括水平布置的载物板10、用于驱动载物板10移动的驱动模块20、用于支撑载物板10的支承模块30以及用于控制驱动模块20运动的控制模块40，其中，控制模块40为常规的模块，可直接从市场上购买获得，并非本实施例的重点，此处不再详述。

载物板10水平布置在驱动模块20和支承模块30的上方，且驱动模块20和支承模块30最好分别位于与载物板10的前半部和后半部对应的位置或者分别位于与载物板10的左半部和右半部对应的位置。载物板10和驱动模块20刚性连接，且载物板10和支承模块30柔性铰接，具体的连接结构将在下文描述。优选的，载物板10的上表面放置有光学平晶14作为平面基准，进一步提高运动精度。此外，载物板10的中部位置开设有穿孔11，由于载物板10已经被驱动模块20和支承模块30架起释放出其下方空间，该空间可与穿孔11配合用于安装加工系统的加工工具或者测量机的传感装置等。具体的，穿孔11为方形孔，光学平晶14的直径大于方形孔的方形截面的边长，且光学平晶14的中心轴与方形孔的中心轴位于同轴布置。

驱动模块20包括Y向直线位移台21和安装在Y向直线位移台21的上表面的X向直线位移台22，其中，Y向直线位移台21和X向直线位移台22都是可从市场上直接购买获得的直线位移台，Y向直线位移台21的运动方向的中性线与X向直线位移台22的运动方向的中性线相互垂直布置，且Y向直线位移台21和X向直线位移台22都与控制模块30通讯连接，具体的通讯连接方式可以为常规的方式，如蓝牙连接或导线连接等；载物板10与X向直线位移台22的上表面刚性连接，具体的刚性连接结构可以为常规的结构，如焊接连接、螺栓连接或锁扣连接等，在本实施例中以载物板10与X向直线位移台22的上表面之间通过螺栓连接或相互焊接为例进行说明。通过控制模块40可控制驱动模块20在XY平面内运动并试试反馈各位移台的运动坐标，当然，该XY平面为水平面，且本实施例提及的X向和Y向均指该XY平面上的两个相互垂直的方向。

支承模块30包括与Y向直线位移台21的运动方向的中性线平行布置的Y向直线滑轨31和与X向直线位移台22的运动方向的中性线平行布置的X向直线滑轨32，即Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32相互垂直布置，其中，Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32分别有两个以上，且Y向直线滑轨31的数量和X向直线滑轨32的数量相同且一对一配合，在本实施例中以Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32分别有两个为例进行说明。相互配合的Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32中，X向直线滑轨32设置在Y向直线滑轨31的滑轨表面，需要说明的是，上述Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32是可从市场上直接购买获得的直线滑轨。此外，Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32的滑动行程相同且都大于Y向直线位移台21和X向直线位移台22的移动行程。这样，支承模块30可在XY平面上自由运动，且运动范围大于驱动模块20。

载物板10柔性铰接在各X向直线滑轨32上，具体的，各X向直线滑轨32的滑轨表面分别设置有球窝连接块33，该球窝连接块33上具有球窝。各球窝连接块33分别通过螺栓连接的连接结构固定在对应的X向直线滑轨32上，且各球窝连接块33的水平面低于驱动模块20的上表面。此外，载物板10上在与各球窝连接块33对应的位置处分别开设有通孔12，各通孔12内分别设置有球头穿插在对应的球窝布置的球头螺纹副13，即载物板10上设置有与各球窝连接块33一对一配合的球头螺纹副13。需要说明的是，使用前需要通过调整螺纹使得球头螺纹副13与对应的球窝充分接触，此时载物板10的下表面和支承模块30的上表面应留有间隙。

使用时，由控制模块40发出运动指令，控制驱动模块20按照指令移动，此时载物板10随之运动，并通过相互配合的球头螺纹副13和球窝连接块33带动支承模块30运动，由于支承模块30并不会限制载物板10的运动，仅起到支撑和稳定的租用，可实现高精度的二维大行程运动。

下面从力学结构的角度对本实施例做进一步说明。

如果将本实施例中的柔性铰接都改为刚性连接，则其形成的二维运动系统与常规的二维运动系统类似，可以简化为如图4所示的力学结构，具体的，该二维运动平台包括四个构件，分别为载物板10、驱动模块20以及两组相互配合的Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32组合构件，每个构件在三维空间有6个原始自由度，即X、Y、Z三个线性自由度和分别绕X、Y、Z轴旋转的三个角度自由度。此外，该二维运动平台具有六个导向元件，分别为Y向直线位移台21、X向直线位移台22、两个Y向直线滑轨31和两个X向直线滑轨32，每个导向元件可看作一个运动副。由于每个导向元件只允许其导向方向的直线运动，因此约束了5个自由度，则系统自由度为：

Dof＝m×6-n×5＝-6

上式中，m为构件数，n为导向元件数。计算结果为-6，说明该运动平台存在高次超约束，只有当X向直线位移台22和两个X向直线滑轨32严格平行布置且Y向直线位移台21和两个Y向直线滑轨31也严格平行时，才可构成虚约束，从而提高运动平台自由度，这在实际装调过程中难度很大；此外，当支承数目增多时，次超约束情形会更为严重，这样引起的结果的运动平台各导向元件互相干涉，出现“卡死”现象，或令导向元件受迫变形；

而在本实施例提供的二维运动平台中，由于载物板10仅存在一处与驱动模块20的刚性连接，其他都为柔性铰接，其力学结构如图5所示，该二维运动平台包括六个构件，分别为载物板、驱动模块、两个球头螺纹副13以及两组相互配合的Y向直线滑轨31和X向直线滑轨32组合构件，该二维运动平台包括六个导向元件，分别为Y向直线位移台21、X向直线位移台22、两个Y向直线滑轨31和两个X向直线滑轨32，此外有两处柔性铰接，每个柔性铰接仅约束X、Y、Z三个线性自由度，则系统自由度为：

Dof＝m×6-n×5-p×3＝0

上式中，m为构件数，n为导向元件数，p为柔性铰接输。计算结果为0。对于二维运动平台来说，需要有两个自由度，即X和Y运动自由度，因此，本实施例提供的二维运动平台仍有2次超约束，为释放此2次超约束。

本实施例提供的二维运动平台的装调方法为，将整个二维运动平台置于一基准平面上，例如水平大理石平面，所有导向元件只需满足平行于该基准平面即可。这种装调方式仅需一水平仪或简易高度计即可完成，当所有导向元件对基准平面平行时，力学模型可向该基准平面投影以获得简化，如图6所示，每个构件有3个自由度，即X、Y和一个平面内旋转自由度；每个导向元件约束2个自由度，只保留其导向方向的运动自由度；每个柔性铰接约束2个自由度，只保留平面内旋转自由度。代入构件数m＝6，导轨数n＝6，铰接数p＝2，则运动平台自由度为：

Dof＝m×3-n×2-p×2＝2

运动平台自由度为2，刚好满足二维平面运动条件，为一零次超约束系统。在具体装调过程中，只须满足各导向平行于基准平面即可。线面平行的调整很容易实现，可用水平仪使得基准平面和所有导向元件保持水平，亦可使用高度计调整导向元件上若干点对基准平面高度相同。而各导向元件在各自平行于基准平面的平面内可自由放置，运动平台中只需刚性连接端，即X向直线位移台22和Y向直线位移台21相互垂直即可保证整个系统的XY运动轴垂直。

进一步，当从动支承模块3中的运动构件多于两个时，每引入一个运动构件，会引入2个构件，2个导轨和1个铰接，即在图6所示力学模型中，m＝2，n＝2，p＝1。则运动平台的新增自由度为：

ΔDoF＝m×3-n×2-p×2＝0

这表明在支承模块30中引入新的运动构件不会带来运动平台自由度的改变，因此可自由增加模块化的运动构件。

本实施例提供的二维运动平台，采用零次超约束设计，简化了导向元件的装配要求，避免了传统平台的“卡死”问题，实现了载物板10在XY平面内的高精度二维运动。平台中驱动模块20和支承模块30由通用导向元件构成，有良好的互换性和通用性，并有良好的二次开发空间。载物板的中空设计释放了运动平台下方空间，结合光学平晶14基准实现了差动设计，降低了对导向零件精度的要求，使得一般精度的元件亦可实现高精度三维测量和定位。

上面结合附图对本实用新型做了详细的说明，但是本实用新型的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本实用新型做出各种变形，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种二维运动平台，其特征在于，包括水平布置的载物板、用于驱动所述载物板移动的驱动模块、用于支撑所述载物板的支承模块以及用于控制所述驱动模块运动的控制模块，所述载物板水平布置在所述驱动模块和所述支承模块的上方，所述载物板和所述驱动模块刚性连接，且所述载物板和所述支承模块柔性铰接。

2.如权利要求1所述的二维运动平台，其特征在于，所述驱动模块包括Y向直线位移台和安装在所述Y向直线位移台的上表面的X向直线位移台，所述Y向直线位移台的运动方向的中性线与所述X向直线位移台的运动方向的中性线相互垂直布置，所述Y向直线位移台和所述X向直线位移台都与所述控制模块通讯连接，所述载物板与所述X向直线位移台的上表面刚性连接。

3.如权利要求2所述的二维运动平台，其特征在于，所述载物板与所述X向直线位移台的上表面之间通过螺栓连接或相互焊接。

4.如权利要求2所述的二维运动平台，其特征在于，所述支承模块包括与所述Y向直线位移台的运动方向的中性线平行布置的Y向直线滑轨和与所述X向直线位移台的运动方向的中性线平行布置的X向直线滑轨，所述Y向直线滑轨的数量和所述X向直线滑轨的数量相同且一对一配合，相互配合的所述Y向直线滑轨和所述X向直线滑轨中，所述X向直线滑轨设置在所述Y向直线滑轨的滑轨表面，所述载物板柔性铰接在各所述X向直线滑轨上。

5.如权利要求4所述的二维运动平台，其特征在于，所述Y向直线滑轨和所述X向直线滑轨的滑动行程相同且都大于所述Y向直线位移台和所述X向直线位移台的移动行程。

6.如权利要求4所述的二维运动平台，其特征在于，各所述X向直线滑轨的滑轨表面分别设置有球窝连接块，所述载物板上设置有与各所述球窝连接块一对一配合的球头螺纹副。

7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的二维运动平台，其特征在于，所述载物板的上表面放置有光学平晶。

8.如权利要求1-6中任一权利要求所述的二维运动平台，其特征在于，所述载物板的中部位置开设有穿孔。

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